JP2022548103A

JP2022548103A - 光ケーブル

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Publication number: JP2022548103A
Application number: JP2022516415A
Authority: JP
Inventors: 欣増岸田; アマド・リザ・ガザーリー; モハマド・ファイザル・ビン・アブド・ラヒム
Original assignee: ペトロリアム・ナショナル・ブルバド・（ペトロナス）
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-11-16
Also published as: EP4028815A1; CN114631009A; US11867576B2; EP4028815A4; WO2021049929A1; MY201978A; US20220341798A1

Abstract

光ケーブル（３１）を複数の螺旋状に巻回された第１の鋼線（８）で覆われた光ファイバ（７）と、柔軟体（９）に覆われた前記複数の第１の鋼線（８）と、を有する応力波検知用光ケーブル（３０）、前記第１の鋼線（８）と異なる第２の鋼線（３２）、を備え、前記応力波検知用光ケーブル（３０）と複数の前記第２の鋼線（３２）とが、それぞれ螺旋状に巻回され、全体として一環状体を形成すると共に、前記応力波検知用光ケーブル（３０）の軸心に対する巻付角（α）が、前記柔軟体（９）のラーメの定数で規定される特性値で定められるようにした。

Description

本願は、光ケーブルに関するものである。

従来、油井の開発時において、地震波を用いて地下資源を探知する技術が広く採用されている。その中でも、ＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensing）により、光ファイバ上の各点の音波、即ち歪変化量を分布的に取得する技術が普及している。この場合においては、光ファイバを光ケーブルに実装させ、油井を構成する油井管に近い場所、あるいは、他の地下経路に埋設して、地上、あるいは海上の振動源からの波を受取って後、ＶＳＰ（Vertical Seismic Profiling）手法を用いた解析、あるいは、ＭＳ（Micro Seismic）の研究により、地下の３次元構造を把握していた（例えば非特許文献１参照）。

上記のような手法を用いて地下資源を探知する場合には、以下に示す問題がある。
まず第１に、光ファイバがケーブルのほぼ軸方向に実装されている場合（例えば非特許文献１参照）には、光ケーブルと垂直方向に入射された地震波には光ファイバは反応しない問題がある。特に、図１８に示した水平井の場合に、反応しなくなる可能性が特に大きくなる。

すなわち、図１８に示したように、海底面下で、抗井１０２に沿ってケーブル１０３が敷設されている場合は、ケーブル１０３内に設けられたセンサである光ファイバ（図示せず）の長手方向の配設方向は、ほぼ水平方向（図中の矢印Ｄ_Hの方向）であり、これに対して、震源からの振動波の進行方向は、上記水平方向に直交する方向（図中の矢印Ｄ_Vの方向）であり、この振動波の影響により、光ファイバに発生する変位方向、つまり光ファイバに歪が生ずる原因となる方向も、上記水平方向に直交する方向となるため、振動波の方向がこのような場合には、光ファイバは地震波には反応し難いこととなる。

第２に、光ファイバがケーブル上で螺旋方向に実装されている場合には、受信した信号に捩り変形による影響が大きく、特に横波に対する応答は非線形であり定量解析に使用するのが困難であるという問題がある。
第３に、ケーブル本体のサイズは大きい方がよく（直径１４ｍｍ～２４ｍｍで良好な性能を示す）、長手方向のセンサとしての分解能はケーブル外周に巻くファイバの巻径（ケーブル本体）が大きくピッチが小さいほどよくなる（例えば特許文献２参照）が、ケーブル本体のサイズがこのように大きい場合には油井のスペースが足りなくなる恐れがあり、ケーブル本体のサイズを逆に小さくするとセンサの分解能が劣化する問題も生ずる。また、ケーブル本体はプラスチックまたはゴム材で作られている（例えば特許文献２参照）ため、ケーブル自体の強度が不足し、また耐熱性も不十分となる可能性が高い。
第４に、コイルチュービング（coiled tubing）などの手法で、光ファイバを坑井内に設置する方法があるが、この方法は一時的手法であり、長期的な設置には向かないという問題がある。

米国特許出願公開第２０１８／０２７４９５４号明細書米国特許出願公開第２０１８／０２４５９５７号明細書

Andreas Wuestefeld, et al.,"How to twist and turn a fiber: Performance modeling for optimal DAS acquisitions", THE LEADING EDGE, March 2019, pp.306-311. B.N.Kuvshinov,"Interaction of helically wound fibre-optic cables with plane seismic waves", Geophsical Prospecting, 2016, 64, pp.671-688.

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、地震波を用いて地下資源を探知するため、上記第１から第４の問題を有効に解決できる構造を有する光ケーブルを提供することを目的とする。

本願に開示される光ケーブルは、
被測定体の振動により発生する応力波を計測するための光ケーブルであって、
軸心部に配設された光ファイバと、この光ファイバを覆うように螺旋状に巻回された複数の第１の鋼線と、前記光ファイバと前記複数の第１の鋼線とを覆う柔軟体と、を有する応力波検知用光ケーブル、
前記第１の鋼線と異なる第２の鋼線、
を備え、
前記応力波検知用光ケーブルと複数の前記第２の鋼線とが、それぞれ螺旋状に巻回され、全体として一環状体を形成すると共に、前記応力波検知用光ケーブルの前記光ケーブルの軸心に対する巻付角が、前記柔軟体の弾性係数とポアソン比から導き出されるラーメの定数で規定される特性値と関係付けられることを特徴とするものである。

本願に開示される光ケーブルによれば、地震波を用いて地下資源を探知するため、上記第１から第４の問題を有効に解決できる構造を有する光ケーブルを提供できるという顕著な効果を得ることができる。

実施の形態１に係る光ケーブルの形状を検討するためのモデル図である。図１の光ケーブルが軸方向から応力を受けた場合のモデル図である。図１の光ケーブルが半径方向から応力を受けた場合のモデル図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を検討するための静的負荷モデルを示す図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を満足する光ファイバ敷設角と歪比パラメータとの関係を表わす図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を満足する光ファイバ敷設角、歪比パラメータ、および歪の相対感度比の具体的数値例を表した図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を検討するための動的負荷モデルを示す図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を実験検討するための供試モデルの構成を示す図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を実験検討するＤＡＳ計測のためのモデル図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を実験検討するための光ファイバの配置と結合の仕方を示した図である。実施の形態１に係る光ケーブルの芯材の仕様を検討するために解析で求めた光ファイバ敷設角と正規化相対感度との関係を表した図である。実施の形態１に係る光ケーブルの仕様を実験検討するための実験装置の構成を示す図である。図１２の実験装置を用いてＤＡＳにより計測された実験結果の一例を示す図である。図１２の実験装置を用いてＤＡＳにより計測された実験結果とブリルアン散乱光の周波数シフトによって計測された実験結果とを合わせて示した図である。正規化相対感度について、図１２の実験装置を用いてＤＡＳにより計測された実験結果と、解析により求めた結果とを比較した一例を示す図である。実施の形態１に係る光ケーブルの相対感度について、ケーブル材質による影響を数値例により示した図である。実施の形態１に係る光ケーブルの一例を示した図である。本実施の形態に係る解決すべき課題を説明するための図である。

実施の形態１．
［解析的検討－静的負荷の場合］
まず、地震による振動波の方向に影響を受ける光ケーブル、あるいは受けやすい光ケーブルの検討を行う。この検討を行う光ケーブルのモデルについて最初に説明する。光ケーブルとして円柱状のケーブルを想定し、このケーブルに静的な負荷が作用した場合において、螺旋状に取付けられた光ファイバが満たすべき仕様について以下説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）は、円柱状のケーブルに、螺旋状に光ファイバを取付けた場合のモデル図である。この図において、地震波のモデルとしての応力波の入射方向によらず、光ファイバが検知する歪が一定になる光ケーブルについて検討する。光ファイバのパラメータとして、ここでは、特に、光ファイバの敷設角（敷設角は巻付角とも呼ぶ。以降、光ファイバ敷設角と略称）と均一応力モデルにおける異種材料間の歪比パラメータ（これらの詳細については後述する）を採り上げ、検討を行う。

図１（ａ）は、光ケーブルのモデルである。この図において、光ケーブル３は、芯材１と、この芯材１にらせん状に巻回された光ファイバ２とで構成されているとしてモデル化されている。３つの矢印は３次元の座標軸ｘ、ｙ、ｚを示し、αは光ファイバ２の敷設角（以降、光ファイバ敷設角と呼ぶ）を示している。この光ファイバ敷設角αは、図１（ａ）を展開した図である図１（ｂ）のｘｚ平面における、光ファイバ２とｘ軸（マイナス方向）とのなす角として定義される。

ここで、光ケーブル３に、ｘｙｚ座標系に対して、y軸周りに－θだけ回転したξηζ座標系を導入する。このξηζ座標系においては、ζ軸方向にのみ歪ε_０が生じている場合を仮定した場合、歪と応力の関係が、ラーメの定数λ、μを用いて、以下のように簡単に表せるからである。即ち、ε_ξ＝０、ε_η＝０、ε_ζ＝ε_０であれば、σ_ξ＝λε_０、σ_η＝λε_０、σ_ζ＝（λ＋２μ）ε_０と表すことができる。

この場合において、ｘｙｚ座標系における歪の垂直成分は、下記の式（１）のように表すことができる。

そこで、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、光ケーブル３がｚ方向から応力を受け歪ε_ｚを発生した場合を想定する。図２（ａ）、図２（ｂ）の場合には、式（１）から光ファイバ２における歪は、この歪ε_ｚと光ファイバ敷設角αを用いて式（２）のように表せる。

次に、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、光ケーブルがｘ方向から応力を受け歪ε_ｘを発生した場合には、光ファイバの周方向の角度位置φ（図３（ｃ）参照）によって、光ファイバが感知する歪が異なった値となる。具体的には、例えば、式（３）、および式（４）となる。

さらに、これらを含めて、一般式で表すと式（５）となる。

また、光ケーブルが十分に長く、ケーブルの螺旋ピッチが計測器の空間分解能より十分に小さい場合には、光ケーブルの長手方向に平均を取って、歪は式（６）のように表せる。

以上により、ζ軸方向にのみ歪ε_０が生じている場合に、光ファイバが感知する歪は、
式（７）のように表される。

ここでＡは歪比パラメータであり、図４に示した２つの異種材料Ｚ_０、Ｚ間の一次元均一応力モデルで示した２つの各異種材料の、計４個のラーメの定数、λ_０、μ_０、λ、μを用いて、式（８）で表される。ここで、異種材料Ｚ_０、Ｚには、例えば、光ケーブルの周囲被覆物である岩盤、光ケーブルが対応する。

なお、上記Ａは、図４に示した一次元均一応力モデルの応力と歪の関係から求まる、２つの異種材料間の歪の比に等しい。すなわち、これらの異種材料の材料表面で、ｘ方向の応力は同一である。この同一となる応力の値をσ_０とおくと、σ_０＝（λ_０＋２μ_０）ε_０＝（λ＋２μ）εであるから、ε／ε_０＝（λ_０＋２μ_０）／（λ＋２μ）となり、この右辺の値は上記Ａの値に等しい。

そして、式（７）より光ファイバの歪ε_ｆは光ファイバの周方向の角度位置φによらないことが判る。すなわち、歪の方向がｚ軸回りに回転しても結果は変わらない。また、式（７）の第２項より、光ケーブルの側面方向の剛性は、光ファイバの感度に影響するのに対して、光ケーブルの軸方向の剛性は、光ファイバの感度に影響を与えないことが判る。

そこで、光ファイバ敷設角αと歪比パラメータＡが、次式（９）を満足するように設定する。

αとＡが式（９）を満足するように設定すると、光ファイバが検知する歪は、応力波の入射方向によらず、以下の式（１０）で表される一定値になる。

式（１０）を満足する光ファイバ敷設角αをα_optとし、歪比パラメータＡをＡ_optとした時の、α_optとＡ_optとの関係を、横軸にα_optを取り、左側の縦軸にＡ_optを取って、図５に示した。なお、右側の縦軸には、歪の相対感度比ε_ｆ／ε_０を取っている。この図において、菱形を結んだ曲線はα_optに対するＡ_optの変化を示し、四角を結んだ曲線はα_optに対するε_ｆ／ε_０の変化を示している。なお、上記のα_optとＡ_optとε_ｆ／ε_０との関係を具体的な数値として図６に示した。

具体的には、例えば図５において、縦軸に平行な点線で示したα_opt＝７３度の場合には、図６より、Ａ_optを２１．４になるように設定すると、光ファイバは相対感度比ε_ｆ／ε_０が１に近い０．９１で、地震の応力波を検知できることがわかる。つまり、応力波の入射方向によらず応力波をほぼ減衰のない大きさで検知できることがわかる。すなわち、この関係を満たすように、光ファイバ敷設角αなどを設定しておけば、地震波の入射角によらず、光ファイバは地震波に反応することができると言える。なお、光ケーブルの構造体としてアーマードケーブルを用いている場合には、一般にＡ＜１であるから感度が小さくなる。よって、本実施の形態では、ケーブルの一部に柔軟体を用いて、感度を上げている（光ケーブルの構造については、後ほど詳しく説明する）。
また、実際には、種々の条件で、式（１０）を満足するように、αとＡとの関係を定めることは難しい場合が多く、式（７）での評価が妥当である。従って、パラメータである音響波の入射角θ（以下、入射角θと略称することもある）の影響も考慮する必要がある。

［解析的検討－動的負荷の場合］
上記では負荷が静的な場合について検討してきたが、次に、負荷が動的な場合について、図７に示したモデルを用いて検討する。この図で、横軸に示すｘは位置、縦軸に示すｔは時間を示す。またρ_０、ρを各材料の密度、Ｃ_０、Ｃを各材料での音速とする。また、Ｐ、Ｑは、異種材料間の界面を示す記号である。この場合において、粒子速度ν_∞、応力σ_∞の平面波がこれらの異種材料の界面に垂直に入射し、また界面ＰおよびＱで多重反射するとする。

図７において、ρ_０、ρを各材料の密度、Ｃ_０、Ｃを各材料での音速とすると、１軸歪状態では、Ｃ_０、Ｃはそれぞれ、式（１１）、式（１２）で表される。

初期状態での粒子速度をν_０、応力をσ_０とおくと、図７の点Ｐ_１での入射波σ_ｉ ^１、透過波σ_ｔ ^１、反射波σ_ｒ ^１は、それぞれ、σ_ｉ ^１＝－ρ_０Ｃ_０ν_∞＝σ_∞、σ_ｔ ^１＝－ρＣ（ν_１－ν_０）＝σ_１、σ_ｒ ^１＝ρ_０Ｃ_０（ν_１－ν_０）となる。界面での力のつり合いより、σ_ｉ ^１＋σ_ｒ ^１＝σ_ｔ ^１が成立する。よって、ｋを式（１３）で表して、以下の式（１４）、式（１５）が成り立つ。

図７における、点Ｑｎ（ｎ＝２ｍ、ｍは１以上の整数）、および点Ｐｎ（ｎ＝２ｍ＋１、ｍは１以上の整数）での、入射波σ_ｉ ^ｎ、透過波σ_ｔ ^ｎ、反射波σ_ｒ ^ｎ間の界面での力のつりあい（σ_ｉ ⁿ＋σ_ｒ ⁿ＝σ_ｔ ⁿ）から、同様にして、以下の漸化式（１６）、（１７）が得られる。

これらの漸化式を解くことにより、ν_ｎ、σ_ｎについて式（１８）、式（１９）を得る。

ところで、あらゆる正数ｋに対して、式（２０）が成り立つ。

よって、ｎ→∞のとき、式（１８）、式（１９）から、ν_ｎ→ν_∞、σ_ｎ→σ_∞である。
なお、後述するように、本実施の形態では、特許文献２のケーブルに比べ、ケーブル径が小さく、また硬い材料を用いることができる（具体的にはアーマードケーブルなどを用いることができる）ので、速度が速いため上記ｎが実質的に大きくなり、応答範囲も広いといえる。

このことは、入射波の波長が異種材料のサイズより十分大きければ、界面での多重反射により、応力は入射応力σ_∞に近づくことを意味する。すなわち、動的負荷の場合も静的負荷の場合と同じ均一応力モデルが成り立つことを示している。つまり、動的負荷の場合も、静的負荷の場合と同様に、αとＡが式（９）を満足するように設定すると、光ファイバは、応力波の入射方向によらず、応力波による歪を検知することができることがわかる。ここで、各層の応力は上述のように均一となるので、計測する歪の感度を良くするためには、光ファイバを埋め込む層の剛性を低くする必要があることが判る（剛性を低くすることにより、歪を計測するセンサの感度を上げることができることが推測できる）。

なお、後述するように、本実施の形態では、特許文献２のケーブルに比べ、ケーブル径が小さく、また硬い材料を用いることができる（具体的にはアーマードケーブルなどを用いることができる）ので、速度が速いため上記ｎが実質的に大きくなり、応答範囲も広いといえる。
また、平面音波の伝わり易さは、平面音波が伝わる媒質である被測定体の密度ρｒと媒質固有の音速Ｃｒによって表される音響インピーダスＩ_Ｚ（Ｉ_Ｚ＝ρｒＣｒ）で評価できる。ここで、媒質の体積弾性率Ｋｒを用いると、Ｃｒ＝（Ｋｒ／ρｒ）^１／２と表されるので、音響インピーダスＩ_Ｚは（ρｒ×Ｋｒ）^１／２に等しい。被測定体の音波の振幅と光ファイバに伝わる音波の振幅の比は、重複反射理論では、この両者の音響インピーダンスの比で表されることが一般に知られている。

［実験による検討］
次に、以上の解析的検討結果に関して、実装時の課題を明らかにするため、実験による検討を加える。地震波を計測するに当たっては、通常、震源からの距離が大きいため、地震波が減衰していることが多いため、光ケーブルに入力する入射応力波のレベルは非常に小さくなっていると考えられる。従って、地震波の検知には、感度の点で優れた特性を持つＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensing）を用いた。以下、このＤＡＳによる計測（以降、ＤＡＳ計測とも呼ぶ）によって行った実験について説明する。なお、ＤＡＳの空間分解能は一般に２０ｃｍ以上であり、この値は光ケーブル径よりも十分大きい。従って、ＤＡＳによる歪の計測は、上記の静的負荷の計測と同様に扱える。

まず、このＤＡＳ計測を行った実験の実験装置について図を用いて説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に供試モデルの構成を示す。ここでは、検証用の模擬ケーブル４を埋め込んだ直方体形状のモルタルブロック１０（実際の現場では光ケーブルが配置される周囲被覆物である岩盤等をこのモルタルに置き換えて実験した）の表面にＤＡＳ計測用の応力波検知用光ファイバ５ａ、５ｂを敷設する。模擬ケーブル４が検出するひずみの計測については、半導体ひずみゲージ６による検出を試みるため、図に示した３種類の半導体ひずみゲージ、すなわち、トリガー用ゲージ６ａ、入射波・反射波計測用ゲージ６ｂ、透過波計測用ゲージ６ｃを配備して、これらの半導体ひずみゲーによる検出も同時に試みる（図８（ａ）参照）。

なお、上記モルタルブロック１０の長さＬ_１は１２００ｍｍ、断面サイズＬ_３×Ｌ_４（図８（ｂ）参照）は２００ｍｍ×２００ｍｍ、応力波トラップ用ブロック１１の長さＬ_２は３５０ｍｍで断面サイズはモルタルブロック１０と同じである。

また、光ファイバ敷設角αを変えた複数の模擬ケーブル４を１つのモルタルブロック１０中に埋め込む（図中の白抜き矢印の下側に示した図８（ｃ）、図８（ｄ）を参照）。埋め込む場所としては、このモルタルブロック１０の同じ断面位置とし、同時に模擬ケーブル４を３本程度埋め込んだ。
また、模擬ケーブル４に対する音響波の入射角の影響を検討するため、この入射角を３種類設定して実験を行った。
さらに、光ファイバを設置した模擬ケーブル４の芯材の材質の影響を検討するため、実験に使用する模擬ケーブル４の芯材の材質を変化させたものも用いる。具体的には、光ファイバ敷設角αは６５度、７３度、９０度の３種類、入射角は６０度、７５度、９０度の３種類、芯材の材質は、アルミ材とポリアセタール樹脂材（以降、ＰＯＭ材と略称することがある）の２種類で、形状はいずれも棒状である。なお、アルミ材の場合には、弾性係数の影響を検討するため、棒状の芯材以外に円環状の芯材（パイプ）を用いた実験も行った。

さらに、入射応力を模擬するため、打出ブロックを用いるが、この打出ブロックはポリ塩化ビニル（以降、ＰＶＣと略称することがある）等の板を複数枚、貼り合わせて作成した。この打出ブロックを動作させるため、打出装置も同時に作製して用いた。

次に、ＤＡＳ計測のための実験モデルについて図を用いて説明する。図９（ａ）はこの実験モデルを説明するための３次元模式図である。図９（ｂ）は図９（ａ）に示した３次元模式図を白抜き矢印方向から見た上面図である。図９（ａ）に示したように、模擬ケーブル４が埋め込まれた埋直方体形状のモルタルブロック１０の左側面の中央位置Ｒに上記打出ブロックを衝突させて（中央位置Ｒは地震の震源に相当）、このモルタルブロック１０の内部に音響波（地震による応力波に相当）を発生させる。このとき、音響波は、図９（ａ）、および図９（ｂ）の矢印の方向に進み、模擬ケーブル４の長手方向（軸方向）に対して入射角θで伝播する（図９（ｂ）参照）。

次に、実験の際の光ファイバの配置と結合の仕方を、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示す。図１０（ａ）は、外観を示す３次元モデル図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＤ方向矢視図、図１０（ｃ）は、光ファイバの設置状態の詳細を示すための図である。実際の測定においては、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示したように、模擬ケーブル４以外に、音波検知用ファイバが２つの側面の表面に固着されており、他のファイバがモルタルブロック内部の長手方向に埋め込まれている。ここで、図１０（ｃ）に示すように、音響波を検知するため、すべてのファイバは、通常は、連続的に結合されて配置されている。図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示したように、３個の模擬ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃは、直方体形状モルタルブロックの厚さ方向において、それぞれ、上から順に、多層に重なるように繋がって構成されている。なお、各模擬ケーブルにおいて、上記多層に構成されたケーブルのうち、何本かのケーブルが組み立て中に壊れた場合には、当該壊れたケーブルを省かなければならない。

ここで、実験結果との比較のため、予め求めた理論的な解析結果について説明しておく。この解析においては、芯材の材質がアルミ棒、アルミ管、ＰＯＭ棒（ポリアセタール樹脂棒）の場合に、その材質ごとに、理論的な光ファイバ敷設角αと正規化相対感度との関係を求めた。その結果を図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に、それぞれ示す。
これらの図では、いずれもパラメータを入射角θとして、θが６０度、７５度、９０度の３つの場合における理論解析値を示している。いずれの図においても、正規化相対感度が１となる光ファイバ敷設角より小さいαの値においては、入射角θが大きいほど、光ファイバ敷設角αに対する正規化相対感度の変化が大きくなっていることが分かる。

ここで正規化相対感度とは、Ｓ（θ、α、Ａ）を式（２１）で定義したとき、この式（２１）を基に、式（２２）で計算される値であり、α_Ａ＝６５度とした場合に求まる値である。また、歪比パラメータＡはアルミ棒では０．２３３、アルミ管では０．６９５、ＰＯＭ棒では６．２１１で与えられる。

図１２に、実験装置の構成を示す。破線の枠で囲んだ電磁石、制動箱、歪計測機２０に内蔵の図示しないプロセッサなどで構成される制動装置により、所要のタイミングで、鋼球を支持点Ｐ_０から点線で示す距離Ｌ_５だけ離れた制動装置側の待機位置から、支持点Ｐ_０の周りに矢印付きの点線に沿って水平距離換算でＬ_６だけ移動させ、モルタルブロック１０の側面に衝突させる。このモルタルブロック１０には３種類の模擬ケーブル４が設けられるとともに、長さが約５００ｍの測定用光ファイバ５が配備されている。鋼球の衝突によりモルタルブロック１０に発生した音響波は、測定用光ファイバ５に歪を発生させるが、この測定用光ファイバ５に発生した歪は、歪計測機２０によって計測される。なお、距離Ｌ_５は、９０．５ｃｍ、Ｌ_６は約１３ｃｍで、鋼球のＬ_６部分での移動時間は約０．４秒である。

次に、図１２に示した実験装置を用いて計測された結果について以下図を用いて説明する。図１３（ａ）は、測定結果の一例を時間領域で示したものであり、図１３（ｂ）は、測定結果の一例を周波数領域で示したものである。図１３（ａ）では、実線で示した曲線が測定結果であり、左側に示した縦軸と下側に示した横軸が、その参照軸である。この参照軸の縦軸は歪を表し単位はｎεであり、横軸は経過時間を表し単位はミリ秒である。なお測定位置は５５９ｍである。この振動波形は約１００ミリ秒で減衰していることがわかる。一方、点線で示した曲線は、上記の時間信号の対応するＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を求めたものである。右側に点線で示した縦軸と上側に点線で示した横軸が、その参照軸である。この参照軸の縦軸は歪を表し単位はｎε、横軸は周波数を表し単位はＨｚである。このＦＦＴによる分析結果より、ピーク周波数は１６０５．２Ｈｚ、であることが読み取れた。よって、音響波の速度はブロック長が１．２ｍであることから、３．８５ｋｍ／秒（＝１．２ｍ×２×１６０５．２Ｈｚ）となる。

次に、図１３（ｂ）は、芯材がアルミ棒の模擬ケーブルを用いて、模擬ケーブルへの入射角θが６０度の場合の音響波（１６０５Ｈｚ成分）をＤＡＳ計測した測定結果の一例である。この図において、横軸はファイバ上での測定距離（模擬ケーブル上での位置）をメートル単位で示したものであり、縦軸は発生した歪量をｎε単位で表したものである。この図中の曲線が測定結果であり、特に約１６０５Ｈｚの周波数成分について、模擬ケーブルに沿った測定位置（距離）におけるファイバ、あるいは測定対象ケーブルに生じた音響波（ピーク成分）による歪の量を示している。

この図から、距離５６０ｍ付近に歪の最大のピークが現れていることがわかる。これは先に説明した図８において、試料表面に貼付した応力波検知用光ファイバに発生した歪である。また、距離５８０ｍ付近に歪の第２のピークが現れていることがわかる。これは先に説明した図８において、試料内部に埋め込んだ応力波検知用光ファイバに発生した歪である。これらの応力波検知用光ファイバに発生した歪を目印にして、模擬ケーブルに発生した歪、すなわち、図中に両矢印で示した模擬ケーブル位置で発生した歪を解析する。

ところで、模擬ケーブルで発生した歪のレベル（大きさ）は、上記図１３に示したように、応力波検知用光ファイバに発生した歪のレベルに比べ小さいため、次に、この模擬ケーブルでも発生した歪を確かに検知できていることを別の図である図１４を用いて説明する。

図１４は、上記模擬ケーブルで発生した歪を別の歪計測手法である後方散乱光によるブリルアン周波数シフトによって測定したデータと合わせて示したものである。この図より、模擬ケーブ上の３つの位置であるＡ、Ｂ、Ｃ（Ａ、Ｂ、Ｃは先に図１０で示した模擬ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ対応）に対応して、ブリルアン周波数シフトが発生していることがわかり（この場合の歪は図１４の右側の縦軸スケールに対応）、この模擬ケーブルを用いても、音響波の計測は可能であることがわかる。

次に、この測定の再現性、および、計測された歪の大きさ（歪量）の正確度を確認するため、別の芯材で測定した測定結果を示すとともに、先に示した正規化相対感度の理論値と比較した。この結果について、ケーブルの長手方向の歪分布を示す図１５（ａ）、および測定結果を解析による理論値と比較して示した図１５（ｂ）を用いて以下説明する。

図１５（ａ）、および図１５（ｂ）は、ＰＯＭ棒を芯材として採用した模擬ケーブルを用いて、音響波によって発生した歪をＤＡＳによって３回計測した場合の測定結果を示すグラフである。ここでＰＯＭ棒での測定結果を採り上げたのは、ＰＯＭ棒を使った測定が他の芯材を用いた場合に比べ、最も感度が高いことが推測されたためである。これらの図のうち、図１５（ａ）は、図１３と同様、入射角θが６０度の場合に、横軸にファイバ上での測定距離（ｍ単位）を取り、縦軸に発生した歪量（ｎε単位）で取って、発生した歪をＤＡＳによって計測した場合の測定結果を示したものである。

また、図１５（ｂ）は、この計測結果を理論値と比較するため、横軸に光ファイバ敷設角αをとり、縦軸に正規化相対感度を取って、計測結果と理論値とを比較したものである。この図１５（ｂ）のグラフに示すように、１個のデータを除いて、ほぼすべての測定データは理論値とよく一致していることがわかる。

さらに、芯材の違いによる相対感度の具体的な値について図１６にまとめて示した。ＰＯＭ棒はアルミ棒に比べて弾性係数が１０倍以上小さい、すなわち、ＰＯＭ棒はアルミ棒に比べて柔らかいことがわかっている。このため、歪比パラメータＡについては、逆に、ＰＯＭ棒はアルミ棒に比べて１桁以上大きい値を取り、相対感度も、入射角度によらず、ほぼすべての敷設角でＰＯＭ棒はアルミ棒に比べて大きい値を取ることがわかる。つまり、芯材の材質が柔らかいほど、相対感度が良いことがわかった。

以上説明したように、センサとしての光ファイバが所定の光ファイバ敷設角α_optで設けられた光ケーブルを用いることにより、地震波がこの光ケーブルの長手方向に対して、垂直方向あるいはこれに近い方向から入射した場合においても、発生した地震波をＤＡＳによって計測することが可能であることがわかった。

以上の条件を満足する光ケーブルの代表的な形態を図１７（ａ）～図１７（ｄ）に示した。図１７（ａ）は、このような光ケーブルの全体構成を示す斜視図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示した光ケーブルの長手方向軸に垂直な断面を示した断面図である。また、図１７（ｃ）は、図１７（ｂ）で示した断面図において、最外周部分の構成要素（複数の鋼線など）をすべて取り除いた場合の斜視図、図１７（ｄ）は、この図１７（ｃ）の長手方向軸に垂直な断面を示した断面図である。

図１７（ａ）において、センサである光ファイバ７ａは、その外周を螺旋状に撚られた複数の鋼線８（以降、この鋼線を第１の鋼線とも呼ぶ）が覆っており、さらに、その外周を、光ケーブルが設置された場所において、この光ケーブルを覆う被覆物（以降、ケーブル被覆体と呼ぶ）に比べて柔らかい材質の柔軟体９で保護された構造の応力波検知用光ケーブル３０の中心軸部分に配置されている（柔軟体には例えばプラスチックも含まれる）。なお、上記ケーブル被覆体３３（図示せず）には岩盤などが含まれる。

そして、図１７（ｂ）に示したように、この応力波検知用光ケーブル３０は、螺旋状のワイヤが多重に巻回された多層構造の光ケーブル３１の最外層に配置されている。また、この最外層は、前記応力波検知用光ケーブル３０と同程度の外径を有する複数の鋼線３２（以降、第２の鋼線とも呼ぶ）とが螺旋状に撚られて円環状に構成されている。従って、第２の鋼線は第１の鋼線より外径が大きい。また、図１７（ｂ）に示したように、最外層とそのすぐ内側の層との間に全周を覆う液体を通さない柔軟体で構成される緩和層である柔軟体９ａを配置してもよい。さらに、光ケーブルの軸心部には、前記光ファイバ７ａとは別の圧力センサ機能のある光ファイバ７ｂが配置されている。

また、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）に示したように、上記の緩和層を透水性のある緩和層である柔軟体９ｂ（この柔軟体９ｂは例えば網目状であって液体が外部から侵入可能な層）に代えて構成してもよく、この場合には、光ケーブル３１の中心軸部分に配置した光ファイバ７ｂが圧力測定用センサである場合にも、圧力測定に影響を及ぼすことはない。従って、この光ファイバ７ｂも応力波検知用のセンサとして機能することが可能である。この光ファイバ７ｂは光ケーブル３１の中心軸に対応して配設され、応力波検知用光ケーブル３０はこの中心軸に対して特定の巻角で配設されているため、２つを同時に動作させた場合には、音響波（あるいは地震波）に対して、２種類の入射角を備えることになり、より感度の良い光ケーブルとして機能することが期待できる。

以上において、複数の鋼線３２の一部は、金属管被覆光ファイバケーブル、すなわち、ＦＩＭＴ（Fiber In Metallic Tube）３２ａで置き換えてもよい。また、柔軟体９で一様に覆う代わりに、外径５μｍ程度のケブラー繊維（鋼線より柔らかい）を螺旋状に巻き付けてもよい。

ここで、応力波検知用光ケーブル３０の、光ケーブルの長手方向の軸心に対する巻付角βは、先に説明した光ファイバ敷設角α_optを基に設定されており、この巻付角βは、柔軟体９及びケーブル被覆体３３（例えば岩盤）の物性値から定められる。具体的には、柔軟体９及びケーブル被覆体３３のそれぞれの弾性係数Ｅとポアソン比νとから求まる、それぞれの材質のラーメの定数λ_９、μ_９、およびλ_３３、μ_３３（式（２３）、式（２４）参照）を基に、上述の式（８）および式（９）を用いて決定される。
なお、柔軟体９は、上記で説明した鋼線８の外周部分だけでなく、光ファイバ７ａと鋼線８との間隙にも配設されている場合には、さらに好ましい形態となる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。例えば、上記実施の形態１では、多層ケーブルの最外層に光ケーブルが配設されている場合について説明したが、これに限らず、最外層より内側の層に光ケーブルが配設されている場合でも同様の効果を奏する。

１芯材
２、７ａ、７ｂ光ファイバ
３、３１光ケーブル
４、４ａ、４ｂ、４ｃ模擬ケーブル
５測定用光ファイバ
５ａ、５ｂ応力波検知用光ファイバ
６半導体ひずみゲージ
６ａトリガー用ゲージ
６ｂ入射波・反射波計測用ゲージ
６ｃ透過波計測用ゲージ
８、３２鋼線
９、９ａ、９ｂ柔軟体
１０モルタルブロック
１１応力波トラップ用ブロック
２０歪計測機
３０応力波検知用光ケーブル
３２ａＦＩＭＴ
３３ケーブル被覆体
Ａ歪比パラメータ
α 光ファイバ敷設角
θ 音響波の入射角

Claims

被測定体の振動により発生する応力波を計測するための光ケーブルであって、
軸心部に配設された光ファイバと、この光ファイバを覆うように螺旋状に巻回された複数の第１の鋼線と、前記光ファイバと前記複数の第１の鋼線とを覆う柔軟体と、を有する応力波検知用光ケーブルと、
前記第１の鋼線と異なる第２の鋼線と、
を備え、
前記応力波検知用光ケーブルと複数の前記第２の鋼線とが、それぞれ螺旋状に巻回され、全体として一環状体を形成すると共に、前記応力波検知用光ケーブルの前記光ケーブルの軸心に対する巻付角が前記柔軟体の弾性係数とポアソン比から導き出されるラーメの定数で規定される特性値に関係付けられることを特徴とする光ケーブル。
前記応力波検知用光ケーブルは、前記光ケーブルの最外周に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光ケーブル。
前記光ケーブルの軸心部分に配置された圧力計測可能な第２の光ファイバと、
透水性のある透水緩和層である第２の柔軟体であって、前記第２の柔軟体が前記一環状体の内側環状面に対向している、第２の柔軟体と、をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ケーブル。
前記光ファイバと前記複数の第１の鋼線間の間隙が前記柔軟体で覆われていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ケーブル。
前記特性値は、前記応力波検知用光ケーブルのラーメの定数と、前記光ケーブルが設置された場所で当該光ケーブルを覆うケーブル被覆体のラーメの定数と、で定まる歪比パラメータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光ケーブル。
前記柔軟体の歪比パラメータの値は、前記ケーブル被覆体の歪比パラメータの値よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の光ケーブル。